基于DLL控制的高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器設計.pdf

1、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time to Digital Converter，TDC)是一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路，它測量兩個輸入脈沖之間的時間差，并輸出最接近該時間量的數(shù)字量化值。TDC常用于數(shù)字鎖相環(huán)(phase-locked loop，PLL)、3D成像中激光往返時間測量以及核科學實驗中粒子飛行時間的測量，有力地支撐了紅外探測3D成像技術(shù)的發(fā)展，在軍事和工業(yè)及民用等領(lǐng)域有廣泛的應用。
　　由于陣列架構(gòu)帶來的TDC面積和功耗的嚴格限制及高精度寬

2、量程的要求，目前已知的大部分能突破門級延時的高精度窄量程TDC均很難用于陣列系統(tǒng)。為了實現(xiàn)適合于陣列應用的寬量程、高精度TDC，本文在經(jīng)典的兩段式TDC基礎上給出了結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化設計方法:在原有高段LFSR計數(shù)器的最低位前加入異步減法器，在提高量程的同時進一步限制甚至降低電路功耗;同時將延遲環(huán)型TDC改進為基于DLL控制的TDC，提高中段TDC的性能水平;最后，進一步引入雙環(huán)振結(jié)構(gòu)，通過控制并利用其相對相位，突破數(shù)字電路最小門延遲，實現(xiàn)

3、高精度時間分辨。與其它類型的三段式TDC結(jié)構(gòu)相比，本設計方案不僅兼顧了精度和寬量程的共同需求，而且在量化機制上同樣滿足陣列應用的約束。理論研究和相關(guān)分析表明，基于Dual-DLL架構(gòu)的分段式TDC，在抑制環(huán)振頻率的相位噪聲或時鐘抖動方面具有明顯優(yōu)勢，進而滿足高精度寬量程高穩(wěn)定的時間測量應用要求。
　　本設計采用TSMC0.35μm CMOS工藝，通過Cadence EDA工具驗證，完成了整個電路前仿、版圖與后仿及流片驗證。測試結(jié)果